Der bei Solarzellen angegebene Wert Wp beziffert die sogenannte Peak-Leistung, also die maximal erreichbare Leistung unter optimalen Bedingungen. Im Regelbetrieb fallen bis zu 20 Prozent weniger Leistung an. Allerdings muss der Laderegler den theoretischen Wert ebenfalls verkraften können.
Nach gründlicher Recherche entschieden wir uns für eine 100-Watt-Solarzelle mit einem 80 Ah starken Akku und einen einfachen PWM-Laderegler – noch kleinere Akkus und Solarzellen kosten in der Regel mehr als solche für Haus-Solaranlagen gedachte Bauelemente.
Mit diesen Bauteilen hoffen wir, die Anlage durch den Winter zu bekommen und für ein komplettes Jahr die Temperaturentwicklung aufzeichnen zu können. Sobald die Außentemperatur sinkt, sollten die Lüfter kaum mehr Energie brauchen, sodass auch bei geringer Sonneneinstrahlung die erzeugte Leistung für den Betrieb des RasPi ausreichen müsste.
WARNUNG
12 Volt stellen für den menschlichen Körper keine Gefahr dar. Lassen Sie bitte dennoch Vorsicht walten: Der Akku liefert bei einem Kurzschluss einige Hundert Ampere Strom – aus diesem Grund verfügen leistungsstarke Akkus auch immer über sehr dicke Anschlussklemmen. Die beim Kurzschluss auftretenden Stromstärken können Gabelschlüssel zum Glühen bringen, und auch das Innere des Akkus erhitzt sich im Kurzschlussfall stark. Es besteht dann die Gefahr, dass die Säure austritt oder das Gehäuse platzt. Schließen Sie den Akku daher bitte immer vorsichtig und richtig gepolt an.
Bei der Verkabelung der Solaranlage achten wir darauf, Leitungen mit einem Mindestquerschnitt von 2,5 mm2 zu verbauen. Die Belegung der Anschlüsse entnehmen wir der Anleitung des gewählten Ladereglers. Diesen schützen wir wiederum mit einem wasserdichten Gehäuse vor Regen und Unwettern.
Nachdem nun die Energieversorgung steht, bauen wir die Hardware für die Gewächshaussteuerung zusammen.
Gewächshaussteuerung
Damit der Raspberry durch das Klima im Gewächshaus keinen Schaden nimmt, packen wir ihn wie die Ladeelektronik in ein wasserdichtes Gehäuse. Die Handvoll Elektronikbauteile finden aufgelötet auf einer handelsüblichen Europlatine ihren Platz. Die auf der Heft-DVD enthaltenen Schaltpläne geben einen Überblick, wie alles zusammengehört.
Da die 3,3 Volt der GPIO-Schnittstelle nicht ausreichen, um die MOSFETs zum Schalten zu bewegen, bauen wir eine kleine, über Optokoppler realisierte Vorstufe ein. Diese rettet dem RasPi zudem das Leben, falls es in den Endstufen zu einer Überspannung kommen sollte. Die MOSFETs montieren wir auf Kühlkörper, da sie im PWM-Betrieb sehr viel Hitze entwickeln – im reinen Schalterbetrieb würden sie ohne eine Kühlung auskommen.
Zur einfacheren Montage im Gewächshaus führen wir alle Verbindungspunkte auf eine Klemmleiste. Die Spannungsversorgung übernimmt dann entsprechend den Ausführungen im Kasten “Aus 12 mach 5” ein DC-DC-Wandler. Abbildung 1 zeigt den nun vollständigen Aufbau unserer intelligenten Gartenhaussteuerung fertig montiert in den wasserdichten Gehäusen.
Abbildung 1: So sieht die komplett aufgebaute Platine für die Gewächshaussteuerung aus.
Aus 12 mach 5
Um aus den 12 Volt der Solaranlage die für den Raspberry Pi benötigten 5 Volt zu gewinnen, nutzen wir einen DC-DC-Konverter TSR 1-2450 der Firma Traco Power [5]. Er überzeugt durch deutlich geringere Verluste als ein linearer Spannungsregler. In unserem Fall würde ein linearer Regler mehr Leistung in Wärme verwandeln, als der RasPi zum Betrieb benötigt. Der TSR 1-2450 erzielt in unserer Schaltung einen Wirkungsgrad von über 90 Prozent und entwickelt kaum Hitze. Zum Thema Spannungsversorgung: Der Raspberry Pi lässt sich auch über Pin 2 (+5 Volt) und Pin 6 (0 Volt) der GPIO-Schnittstelle mit Spannung versorgen, dadurch entfällt das USB-Kabel.
Beim Umsetzen Ihrer eigenen Anlage sind Ihren kreativen Ideen keine Grenzen gesetzt. Denken Sie jedoch auch an Triviales wie etwa einen Ein-/Ausschalter: Dieser darf nicht fehlen, da der Raspberry Pi selbst über keinen verfügt und wir den Mini-Rechner fest mit der Spannungsversorgung verbinden. Abbildung 2 zeigt die Pinouts aller verwendeten Halbleiter.
Abbildung 2: Die Pinouts helfen beim Bestücken der Platine ungemein.
Bei den Sensoren fiel die Wahl auf einen Feuchtigkeits- und Temperaturfühler des Typs DHT22 [1] (entsprechend dem Schaltplan gartenhaus_2.sch auf Heft-DVD angebunden). Die Entlüftung des Gewächshauses übernehmen, wie schon erwähnt, handelsübliche PC-Lüfter. Für das Bewässern der Pflanzen sorgt eine einfache 12-Volt-Tauchpumpe aus dem Baumarkt. Während des Testbetriebs ersetzt ein Labornetzteil Akku und Solarzellen.
Nachdem damit nun die Hardware steht, kümmern wir uns im nächsten Schritt um die Software.
Einrichten der Software
Als Software-Basis dient ein aktuelles Raspbian, das wir wie üblich auf einer SD-Speicherkarte installieren. Um langfristig ausreichend Platz für Anwendungen und Daten sicherzustellen, sollte diese mindestens über eine Kapazität von 8 GByte verfügen. Nach dem Einrichten des Systems spielen wir sämtliche Updates ein und installieren einen Apache-Webserver mitsamt MySQL-Datenbank und Tools zum Kompilieren von Programmen (Listing 1). Beim Einrichten des Datenbankservers müssen Sie ein eigenes Root-Passwort für MySQL setzen – bitte merken Sie es sich gut.
